(57)【要約】      （修正有）【課題】低精度測距と高精度測距とを用いることにより、フォーカス位置の調整に要する時間を短縮した距離計測方法および装置とそれを搭載した形状計測装置を提供する。【解決手段】第1の光源からの光を対象物に照射しない第1の参照光と複数のレンズを有するフォーカスユニットを介して対象物に照射する第1の測定光とに分離し、前記第1の参照光と前記第1の測定光との位相差から対象物までの距離を測定する高精度測距系と、前記第1の光源よりも周波数の低い第２の光源からの光を対象物に照射しない第2の参照光と対象物に照射する第2の測定光とに分離し、第2の参照光と第2の測定光との位相差あるいは到達時間差から対象物までの距離を測定する低精度測距系と、前記低精度測距系の結果から前記レーザフォーカスユニットの前記複数のレンズのレンズ間距離を変更するレンズ間距離変更手段とを備える。【選択図】図１
2013117453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の光源からの光を対象物に照射しない第1の参照光とフォーカス位置を調整するレーザフォーカスユニットを介して対象物に照射する第1の測定光とに分離し、前記第1の参照光と前記第1の測定光との位相差から対象物までの距離を測定する高精度測距系と、
前記第1の光源よりも周波数の低い第2の光源からの光を対象物に照射しない第2の参照光と対象物に照射する第2の測定光とに分離し、第2の参照光と第2の測定光との位相差あるいは到達時間差から対象物までの距離を測定する低精度測距系と、
前記低精度測距系の結果から前記レーザフォーカスユニットのフォーカス位置を調整するフォーカス位置調整手段とを備える距離計測装置。
【請求項２】
前記第1の測定光と前記第2の測定光とは、光軸を一致させて対象物に照射されることを特徴とする請求項１記載の距離計測装置。
【請求項３】
前記フォーカスユニットは、前記第1の測定光の径より小さい反射体を用いることを特徴とする請求項２記載の距離計測装置。
【請求項４】
前記フォーカスユニットは、前記第1の測定光の径より小さく、前記第2の測定光の径よりも大きな中空レンズを用いることを特徴とする請求項２記載の距離計測装置。
【請求項５】
前記第1の光源からの光と前記第2の光源からの光の波長を異ならせ、反射率と透過率が波長によって異なるミラーを用いることを特徴とする請求項２記載の距離計測装置。
【請求項６】
前記高精度測距系は、前記第１の参照光と前記第1の測定光とに分離する第1のファイバカプラを備え、
前記低精度測距系は、前記第２の参照光と前記第２の測定光とに分離する第2のファイバカプラを備えることを特徴とする請求項１記載の距離計測装置。
【請求項７】
請求項１記載の距離計測装置と、
測定領域をスキャンするスキャナと
測定結果を表示するＧＵＩとを備えることを特徴する形状計測装置。
【請求項８】
第1の光源からの光を対象物に照射しない第1の参照光と照射する第1の測定光とに分離し、前記第1の参照光と前記第1の測定光との位相差から対象物までの距離を測定する高精度測距と、
前記第1の光源よりも周波数の低い第２の光源からの光を対象物に照射しない第2の参照光と対象物に照射する第2の測定光とに分離し、第2の参照光と第2の測定光との位相差あるいは到達時間差から対象物までの距離を測定する低精度測距とを行う距離計測方法であって、
前記低精度測距の結果から前記高精度測距におけるフォーカス位置を調整することを特徴とする距離計測方法。
【請求項９】
前記第1の測定光と前記第2の測定光との光軸を一致させ対象物に照射することを特徴とする請求項８記載の距離計測方法。
【請求項１０】
前記フォーカスユニットは、前記第1の測定光の径より小さい反射体を用いることを特徴とする請求項９記載の距離計測方法。
【請求項１１】
前記フォーカスユニットは、前記第1の測定光の径より小さく、前記第2の測定光の径よりも大きな中空レンズを用いることを特徴とする請求項９記載の距離計測方法。
【請求項１２】
前記第1の光源からの光と前記第2の光源からの光の波長を異ならせ、反射率と透過率が波長によって異なるミラーを用いることを特徴とする請求項９記載の距離計測方法。
【請求項１３】
１つの測定点に対し前記低精度測距を行い、前記高精度測距におけるフォーカス位置を調整し、前記高精度測距を行う動作を繰り返すことを特徴とする請求項８記載の距離計測方法。
【請求項１４】
複数の測定点に対し前記低精度測距を行い、前記高精度測距におけるフォーカス位置を調整し、複数の測定点に対し前記高精度測距を行うことを特徴とする請求項８記載の距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、中・大物製品（タービン、鉄道車両、エスカレータ、圧縮機、自動車、飛行機等）の形状を高精度に測定するための距離計測方法および距離計測装置とそれを搭載した形状計測装置に関する
【背景技術】
【０００２】
ものづくりにおける加工・組み立て中の製品の品質確保に加え、作業時間の短縮のために加工部品、製品形状の３次元形状計測が求められている。
【０００３】
特許文献１は光周波数コムを用いた位相差による距離計測装置に関する。光周波数コムとは光周波数軸上に等間隔に縦モードが並んだパルス光源であり、各モード間の位相差は一定である。光周波数コムを検出器にて検出した際にセンサによる光電変換により、モード間のビート信号が検出される。このとき検出されるビート信号は、レーザの繰返し周波数frepの整数倍に相当する周波数成分が櫛状に多数発生する。電気フィルタで距離測定に使用するビート周波数を選択、変更しながら、対象物に照射しない参照光と、対象物に照射した光の戻り光のビート信号間の位相差から測距（距離計測）を行う。周波数を数種類用いて測定範囲を広げながら、精度よく測距する。
【０００４】
また、特許文献２は、連続光に対して変調用光変調器により強度変調を加え対象物に照射し、反射光を復調用光変調器により復調し検出する距離測定装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６１７４３４号公報
【特許文献２】特許第３０８９３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の距離計測装置において、位相測定精度２π／１００程度で数十μｍの精度で測距を行うためには、数十ＧＨｚ程度を取り扱う必要があるが、数十ＧＨｚを検出可能な受光器の受光径は数十μｍ程度と小さいため、対象物が鏡面などであり指向性の良い戻り光が得られる場合を除くと、対象物までの距離に応じてフォーカス位置を変更し、受光器に効率よく集光し十分な受光光量を確保しなければならない。
【０００７】
特許文献２の距離計測装置は、復調用光変調器を用いることにより、応答周波数がＭＨｚ程度の受光径の大きな検出器を用いることができるが、復調用光変調器の光導波路に入力するため、有効径は数十μｍである。従って、特許文献１と同様、対象物が鏡面などであり指向性の良い戻り光が得られる場合を除くと、対象物までの距離に応じてフォーカス位置を変更し、受光器に効率よく集光し十分な受光光量を確保しなければならない。
【０００８】
対象物が鏡面などであり指向性の良い戻り光が得られる場合を除くと、対象物までの距離に応じてフォーカス位置を変更し、受光器に効率よく集光し十分な受光光量を確保しなければならない。しかしながら、フォーカス位置を調整させ合焦条件を探索すると合焦条件を探索に時間がかかる。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み、低精度測距と高精度測距とを用いることにより、フォーカス位置の調整に要する時間を短縮した距離計測方法および装置とそれを搭載した形状計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、第1の光源からの光を対象物に照射しない第1の参照光とフォーカス位置を調整するレーザフォーカスユニットを介して対象物に照射する第1の測定光とに分離し、前記第1の参照光と前記第1の測定光との位相差から対象物までの距離を測定する高精度測距系と、前記第1の光源よりも周波数の低い第２の光源からの光を対象物に照射しない第2の参照光と対象物に照射する第2の測定光とに分離し、第2の参照光と第2の測定光との位相差あるいは到達時間差から対象物までの距離を測定する低精度測距系と、前記低精度測距系の結果から前記レーザフォーカスユニットのフォーカス位置を調整するフォーカス位置調整手段とを備える距離計測装置を提供する。また、他の観点における本発明は、第1の光源からの光を対象物に照射しない第1の参照光と対象物に照射する第1の測定光とに分離し、前記第1の参照光と前記第1の測定光との位相差から対象物までの距離を測定する高精度測距と、前記第1の光源よりも周波数の低い第２の光源からの光を対象物に照射しない第2の参照光と対象物に照射する第2の測定光とに分離し、第2の参照光と第2の測定光との位相差あるいは到達時間差から対象物までの距離を測定する低精度測距とを行う形状計測方法であって、前記低精度測距の結果から前記高精度測距におけるフォーカス位置を調整することを特徴とする距離計測方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低精度測距と高精度測距とを用いることにより、フォーカス位置の調整に要する時間を短縮した距離計測方法および装置とそれを搭載した形状計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係るプリズムを用いた距離計測装置の構成概略図である。
【図２（ａ）】本発明の実施例１に係る光源部の構成概略図である。
【図２（ｂ）】本発明の実施例１に係る光源部の構成概略図である。
【図３】本発明の実施例１に係るフォーカスユニット及びプリズムの構成概略図である。
【図４】本発明の実施例２に係る中空レンズを用いた距離計測装置の構成概略図である。
【図５】本発明の実施例２に係るフォーカスユニットの構成概略図である。
【図６】本発明の実施例３に係るダイクロイックミラーを用いた距離計測装置の構成概略図である。
【図７】本発明の実施例４に係るサーキュレータを用いた距離計測装置の構成概略図である。
【図８】本発明の実施例５に係る低精度測距系にＴＯＦ法を用いた距離計測装置の構成概略図である。
【図９】本発明の実施例６に係る実施例１から５で述べた何れかの距離計測装置を搭載した３次元形状計測装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施例６に係る実施例１から５で述べた何れかの距離計測装置を用いた３次元形状計測のフロー図である。
【図１１（ａ）】本発明の実施例６に係る実施例１から５で述べた何れかの距離計測装置を用いた３次元形状計測のフロー図である。
【図１１（ｂ）】本発明の実施例６に係る実施例１から５で述べた何れかの距離計測装置を用いた３次元形状計測の測定対象物の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の第１の実施例を図１から図３を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本実施例の距離計測装置の構成図の例である。
【００１６】
低精度測距系で測距を実施し、その結果から高精度測距系のフォーカス位置を調整し、その後高精度測距系で測距を実施する構成である。
【００１７】
低精度測距系は以下に述べる構成である。光源２００の出力の一部の低精度測距光１０１はファイバカプラ１１１に入射し、対象物１１６に照射されない参照光と対象物１１６に照射される測定光とに分離される。一部は参照光として低精度測距用受光器１１２に入射され光電変換され、主要な部分は測定光としてファイバコリメータ１１３で空間中に出射され、λ／４板１１４を透過し、高精度測距系のフォーカス位置を調整する高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０の前面に取り付けられた表面にアルミなどの測距光を反射する金属が蒸着された反射体としてのプリズム１１５で反射され対象物１１６に照射される。高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０を透過し、λ／４板１１７を透過し偏光ビームスプリッタ１１８で反射されビームスプリッタ１１９に入射される。一部がレンズ１２０で集光され低精度測距用受光器１２１に入射し光電変換される。低精度測距用受光器１１２及び低精度測距用受光器１２１で光電変換された電気信号はそれぞれフィルタ１２２及びフィルタ１２３で測距に用いる周波数成分を選択し位相計１２４に入力される。フィルタ１２２及びフィルタ１２３の選択する周波数を変更することにより、測距に用いるビート信号を変更する。位相計１２４によって入力された信号間の位相差を算出し、距離演算回路１２５で測定物１１６までの距離を算出する。
【００１８】
上記の低精度測距系での結果を高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０のレンズ間距離とフォーカス位置の関係を保存してあるデータベース１２６と照合し、その結果に従ってステージコントローラ１２７で高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０のレンズ間距離を、高精度測距光１０２のフォーカスが対象物１１６の表面上に合うよう変更する。
【００１９】
高精度測距系は以下に述べる構成である。光源２００の出力の一部である高精度測距光１０２はファイバコリメータ１４１で空間中に出射され、偏光ビームスプリッタ１１８に入射し、対象物１１６に照射されない参照光と対象物１１６に照射される測定光とに分離される。偏光ビームスプリッタ１１８の反射光は参照光としてレンズ１４２で集光され高精度測距用受光器１４３（低精度測距用受光器１１２及び１２１と比較し応答速度が速く受光面積が小さい）で光電変換され、透過光は測定光としてλ／４板１１７を透過し高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０で対象物１１６に集光される。高精度測距光１０２のフォーカス位置が対象物１１６の表面上にあるため、対象物１１６からの戻り光の一部は高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０によりコリメートされ、λ／４板１１７を透過し偏光ビームスプリッタ１１８で反射されビームスプリッタ１１９に入射される。透過光はレンズ１４４で集光され高精度測距用受光器１４５（低精度測距用受光器１１２及び１２１と比較し応答速度が速く受光面積が小さい）で光電変換される。ここで、高精度測距用受光器１４５の受光面積が小さいが小さいため、高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０を用いて高精度測距用受光器１４５に効率よく集光し十分な受光光量を得ることができる位置に変更する。高精度測距用受光器１４３及び高精度測距用受光器１４５で光電変換された電気信号は、パワーデバイダ１４８で分けられた発振器１４９の出力信号とそれぞれミキサ１４６及びミキサ１４７でミキシングされ位相計の応答周波数までビートダウンされる。ミキサ１４６及びミキサ１４７でビートダウンされた信号はそれぞれフィルタ１５０及びフィルタ１５１で測距に用いる周波数成分を選択し位相計１５２に入力される。発振器１４９の発振周波数とフィルタ１５０及びフィルタ１５１の選択する周波数を変更することにより、測距に用いるビート信号を変更する。位相計１５２によって入力された信号間の位相差を算出し、距離演算回路１５３で測定物１１６までの距離を算出する。
【００２０】
光源２００の出力の一部である低精度測距光１０１及び高精度測距光１０２は強度が周期的に変化するレーザ光であり、高精度測距光１０２の強度変化周波数は低精度測距光１０２の変調周波数と比較して高く、同じ位相測定精度で高精度な測距が可能である。図２（ａ）に示すような光源２０２及び光源２０１を用い、それらの出力のオン―オフを制御系２０３で切り替える方法がある。光源２０１としては、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）の電流を変調することによる強度変調光、ＬＤの出力光にＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器やＥＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器を用いて強度変調した強度変調光、複数のＬＤの干渉光、光周波数コムなどがある。光源２０２としては、位相測定精度２π／１００程度で数十μｍの精度で測距を行うためには、強度変化周波数が数十ＧＨｚと高いためＬＤの電流を変調することによる強度変調光は用いることができず、ＥＯ変調器、ＥＡ変調器、複数のＬＤの干渉光、光周波数コムなどがある。また、図２（ｂ）に示すように、高精度測距光と低精度測距光を同時に含む例えば光周波数コム２０４を用いた場合には、その出力を光スイッチ２０５などにより切り替えることにより低精度測距光１０１及び高精度測距光１０２を得ることができる。
【００２１】
図３は、フォーカスユニット１３０とプリズム１１５の構成の例である。レンズ１３１はマウンタ１３２を用いて電動ステージ１３３に固定されている。電動ステージ１３３によりレンズ１３１とレンズ１３４の間隔を変えることができ高精度測距光１０１のフォーカス位置を変更することができる。レンズ１３４の前面に低精度測距光１０１と高精度測距光１０１の光軸が一致するようプリズム１１５は配置されている。またプリズム１１５はプリズム１１５の位置における高精度測距光１０１と比較して小さいため、高精度測距光１０２及び対象物１１６からの戻り光の一部を遮るが、例えば高精度測距光の１／１０の大きさのプリズムを用いた場合には戻り光の１／１００程度が遮られるだけであり問題にはならない。
【００２２】
本実施例によれば、低精度測距の結果から高精度測距のフォーカス位置を調整することができるため、高精度に距離計測を行いつつ、高精度測距系のみでフォーカス位置を調整しつつ３次元計測を行った場合に比べて計測時間を大幅に短縮することができる。
【実施例２】
【００２３】
本発明の第２の実施例を図４及び図５を用いて説明する。
【００２４】
既に説明した図１から図３に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００２５】
低精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。ファイバコリメータ１１３で空間中に出射されたレーザ光はビームスプリッタ１５４により、反射成分（測定光）の光軸が後述の高精度測距光と一致させられ、偏光ビームスプリッタ１１８を透過し、λ／４板１１７を透過し、フォーカス位置を調整する高精度測距用レーザフォーカスユニット１３９を透過し対象物１１６に照射される。対象物１１６からの戻り光の一部は高精度測距用レーザフォーカスユニット１３９を透過し、その後は実施例１と同様の過程を経て距離演算回路１２５で距離が算出される。
【００２６】
上記の低精度測距系での結果をフォーカスユニットのレンズ間距離とフォーカス位置の関係を保存してあるデータベース１２６と照合し、その結果に従ってステージコントローラ１２７で高精度測距用レーザフォーカスユニット１３９のレンズ間距離を、高精度測距光１０２のフォーカス位置が対象物１１６の表面上に合うよう変更する。
【００２７】
高精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。高精度測距光１０２はファイバコリメータ１５５で低精度測距用強度変調光源からのレーザ光よりビーム径が大きくなるように空間に出射され、ビームスプリッタ１５４を透過し、偏光ビームスプリッタ１１８に入射し、対象物１１６に照射されない参照光と対象物１１６に照射される測定光とに分離される。偏光ビームスプリッタ１１８入射した光のうち、反射光は参照光としてレンズ１４２で集光され高精度測距用受光器１４３（低精度測距用受光器１１２及び１２１と比較し応答速度が速く受光面積が小さい）で光電変換され、透過成分は測定光としてλ／４板１１７を透過した後、高精度測距用レーザフォーカスユニット１３９で対象物１１６に集光される。対象物１１６からの戻り光の一部は高精度測距用レーザフォーカスユニット１３９を透過し、その後は実施例１と同様の過程を経て距離演算回路１５２で距離が算出される。
【００２８】
図５は、フォーカスユニット１３９の構成の例である。中心に低精度測距光１０１のビーム径より大きな穴が空いた中空レンズ１３７はマウンタ１３２を用いて電動ステージ１３３に固定されている。電動ステージ１３３により中空レンズ１３７と中心に低精度測距光１０１のビーム径より大きく、高精度測距光１０２のビーム径よりも小さな穴が空いた中空レンズ１３８の間隔を変えることができ高精度測光１０２のフォーカス位置を変更することができる。中空レンズ１３７の穴の大きさを低精度測距光１０１のビーム径より大きく、高精度測距光１０２のビーム径よりも小さくすることで、低精度測距光１０１には影響を与えず、高精度測距光１０２のフォーカス位置を変更することが可能となる。
【００２９】
本実施例によれば、中空レンズ１３８に実施例１におけるプリズム１１５を取り付けることが不要となるため、レーザフォーカスユニット１３９の配置が容易となる。
【実施例３】
【００３０】
本発明の第３の実施例を図６を用いて説明する。
【００３１】
既に説明した図１から図５に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００３２】
低精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。図１の低精度測距光１０１に換え、高精度測距光１０２とは波長が異なる光源１７０の出力を用いる。ここで波長が異なるとは、透過する波長と反射する波長が異なる特性を持つミラー、例えばダイクロイックミラー１７６で透過と反射に分離することができる程度を指す。光源１７０から出射されたレーザ光はファイバコリメータ１７１で空間中に出射され、偏光ビームスプリッタ１７２に入射し、対象物１１６に照射されない参照光と対象物１１６に照射される測定光とに分離される。偏光ビームスプリッタ１７２に入射ししたレーザ光のうち一部は反射され参照光としてレンズ１７３を用いて低精度測距用受光器１７４で光電変換され、主要部は透過し測定光としてλ／４板１７５を透過した後、ダイクロイックミラー１７６により高精度測距光１０２の光軸と一致させられ対象物１１６に照射される。対象物１１６からの戻り光の一部はダイクロイックミラー１７６で反射されλ／４板１７５を透過した後、偏光ビームスプリッタ１７３で反射されレンズ１７７により集光され低精度測距用受光器１７８により光電変換される。低精度測距用受光器１７４及び低精度測距用受光器１７８で光電変換された電気信号はそれぞれフィルタ１２２及びフィルタ１２３で測距に用いる周波数成分を選択し位相計１２４に入力される。その後の過程は実施例１と同様である。
【００３３】
上記の低精度測距系での結果をフォーカスユニットのレンズ間距離とフォーカス位置の関係を保存してあるデータベース１２６と照合し、その結果に従ってステージコントローラ１２７でフォーカスユニット１３０のレンズ間距離を、高精度測距光１０２のフォーカスが対象物１１６の表面上に合うよう変更する。
【００３４】
高精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。高精度測距系は図１のプリズム１１５に換わりダイクロイックミラー１７６が用いられている他は実施例１と同様である。光源２０２の出力の一部である高精度測距光１０２は実施例１と同様の過程を経てフォーカスユニット１３０でダイクロイックミラー１７６を透過した後、対象物１１６に集光される。対象物１１６からの戻り光の一部はダイクロイックミラー１７６を透過し、高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０によりコリメートされ、その後は実施例１と同様の過程を経て距離演算回路１５２で距離が算出される。ダイクロイックミラー１７６では高精度測距用１０２のレーザ光の波長は透過するため損失を少なく検出することが可能である。
【実施例４】
【００３５】
本発明の第４の実施例を図７を用いて説明する。
【００３６】
既に説明した図１から図６に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００３７】
低精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。光源２００の出力の一部の低精度測距光１０１はファイバカプラ１１１に入射する。一部は参照光として低精度測距用受光器１１２に入射され光電変換され、主要な部分は測定光としてファイバコリメータ１１３で空間中に出射され、λ／２板７００により偏光ビームスプリッタ７０１で反射する偏光方向に変えられ、高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０の前面に取り付けられた表面にアルミなどの測距光を反射する金属が蒸着されたプリズム１１５で反射され対象物１１６に照射される。対象物１１６からの戻り光の一部は高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０を透過し、偏光ビームスプリッタ７０１で反射されレンズ１２０で集光され低精度測距用受光器１２１で光電変換される。低精度測距用受光器１１２及び低精度測距用受光器１２１で光電変換された電気信号は実施例１と同様の過程を経て距離演算回路１２５で測定物１１６までの距離を算出する。
【００３８】
上記の低精度測距系での結果をフォーカスユニットのレンズ間距離とフォーカス位置の関係を保存してあるデータベース１２６と照合し、その結果に従ってステージコントローラ１２７でフォーカスユニット１３０のレンズ間距離を、高精度測距光１０２のフォーカスが対象物１１６の表面上に合うよう変更する。
【００３９】
高精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。光源２００の出力の一部である高精度測距光１０２はファイバカプラ７０２に入射し、対象物１１６に照射されない参照光と対象物１１６に照射される測定光とに分離される。ファイバカプラ７０２に入射した高精度測距光１０２の一部は参照光として高精度測距用受光器１４３に入射され光電変換され、主要な部分は測定光としてサーキュレータ７０３（ファイバカプラ７０３からファイバコリメータ１４１及びファイバコリメータ１４１から高精度測距用受光器１４５の方向のみ光を透過するように配置されている）に入射し、ファイバコリメータ１４１により空間に出射され、偏光ビームスプリッタ７０１を透過し、高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０で対象物１１６に集光される。高精度測距光１０２のフォーカス位置が対象物１１６の表面上にあるため、対象物１１６からの戻り光の一部は高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０によりコリメートされ、ファイバコリメータ１４１により光ファイバに入射され、サーキュレータ７０３に入射し、高精度測距用受光器１４５で光電変換される。高精度測距用受光器１４３及び高精度測距用受光器１４５で光電変換された電気信号は実施例１と同様の過程を経て距離演算回路１５３で測定物１１６までの距離を算出する。
【００４０】
本実施例によれば、実施例１と比較しファイバで構成する部分が多く、実施例１におけるレンズ１２０が不要となり、偏光ビームスプリッタ１１８、ビームスプリッタ１１９、レンズ１２０の調整が不要となるため、装置構成が単純になり調整等が簡素になる。
【実施例５】
【００４１】
本実施例では、低精度測距系として強度変化周期の位相から距離を測定するのではなく、物体へ光を当て、その光が戻ってくるまでの時間から距離を計測するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いる実施例を図８を用いて説明する。既に説明した図１から図７に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００４２】
低精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。ＴＯＦ法用光源、例えばパルス光源１８０からの出力はファイバカプラ１８１により分離され、一部は参照光として受光器１８２により光電変換され、主要部は測定光としてファイバコリメータ１８３で空間に出射され、λ／４板１８４を透過し高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０の前面に取り付けられたプリズム１１５で反射され対象物１１６に照射される。対象物１１６からの戻り光の一部は高精度測距用レーザフォーカスユニット１３０を透過し、λ／４板１１７を透過し偏光ビームスプリッタ１１８で反射されビームスプリッタ１１９に入射される。一部がレンズ１２０で集光され低精度測距用受光器１８５に入射し光電変換される。低精度測距用受光器１８２及び低精度測距用受光器１８５で光電変換された電気信号はそれぞれ信号処理回路１８６に入力され、到達時間の差を求める。その結果から距離演算回路１８７により距離が算出される。
【００４３】
その後の過程は実施例１と同様である。
【００４４】
高精度測距系に関する実施例１からの変更点は以下の通りである。光源２０２の出力であり高精度測距光１０２は実施例１と同様の過程を経て距離演算回路１５２で距離が算出される。
【００４５】
ＴＯＦ法は、強度変化周期の位相から距離を測定する方法ではないため、強度変化の１周期の距離までしか距離を測定できないといったような制約はない。従って、ＴＯＦ法を用いた場合には対象物１１６までの距離が離れた場合にも絶対距離を算出することが可能となる。
【実施例６】
【００４６】
本実施例では、実施例１から５で述べた何れかの測距系８０１を搭載した３次元形状計測装置及び測定フローの実施例を図９及び図１０を用いて説明する。
【００４７】
測距系８０１を搭載した３次元形状計測装置測距系８０１を図９に示す。測距系８０１から出射されたレーザ光は中空モータ８０２上に設置されたミラー８０３により対象物１１６に照射される。中空モータ８０２及びガルバノスキャナ８０４により２次元的にビーム走査可能となり、３次元形状計測が可能となる。中空モータ、ガルバノスキャナ、測定系の電源ユニット８０５及び、スキャナ、測距系の制御、データ処理及び測定結果表示のためにＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ユニット８０６を備える。
【００４８】
図１０における形状計測フローについて説明する。図１０における形状計測フローは、１つの測定点に対し、低精度測距を実施してから高精度測距におけるフォーカス位置を調整し、高精度測距を実施するという動作を測定点ごとに繰り返すものである。
【００４９】
スキャン領域を指定し（Ｓ１００）、領域内の一つの測定点に対し高精度測距を実施し（Ｓ１０１）、受光光量Ｐが精度が得られる閾値以下もしくは以上を判定し（Ｓ１０２）、測定結果を使用するか否かを判定する。閾値以下であった場合精度が得られないため、低精度測距を実施し（Ｓ１０３）、その結果に従い高精度測距系のフォーカス位置を変更し（Ｓ１０４）、再び高精度測距を実施し（Ｓ１０５）、測距結果を保存する（Ｓ１０６）。閾値以上であった場合精度が得られるため測距結果を保存し（Ｓ１０６）、測距結果に従い高精度測距系のフォーカス位置を変更する（Ｓ１０７）。指定したスキャン領域と測定済みの領域が等しいかを判定する（Ｓ１０８）。異なる場合次の測定点に移動し（Ｓ１０８）再び高精度測距を実施する（Ｓ１０１）。このＳ１０１からＳ１０９のループを指定したスキャン領域と測定済領域が等しくなるまで繰り返す。指定したスキャン領域と測定済みの領域が等しくなったときに形状データを取得する（Ｓ１１０）。測距結果に従い高精度測距系のフォーカス位置を変更する（Ｓ１０７）の過程は省略可能であるが、この過程を実施することにより、ある測定点と次の測定点の距離変化が小さい場合、低精度測距（Ｓ１０３）を実施する回数が減る。
【００５０】
図１０で述べた形状計測フローとは異なる計測フローの実施例を図１１（ａ）を用いて説明する。図１１（ａ）における形状計測フローは、複数の測定点に対し、低精度測距を実施してから高精度測距におけるフォーカス位置を複数段階で調整しつつ複数の測定点に対して高精度測距を実施するものである。
【００５１】
スキャン領域を指定（Ｓ１００）し、指定されたスキャン領域全体を低精度に測距し（Ｓ２１０）、その結果をフォーカスユニットのレンズ間距離とフォーカス位置の関係を保存してあるデータベース（Ｓ２１１）と比較（Ｓ２１２）し、同一フォーカスで測定可能な領域に分類し、その分類の数を高精度測距系フォーカス変更必要回数Ｎとして決定する（Ｓ２１３）。フォーカス位置を変更し（Ｓ２１４）、指定されたスキャン領域全体を高精度測距を実施し（Ｓ２１５）、受光光量Ｐが精度が得られる閾値以下もしくは以上を判定し（Ｓ１０２）以上の場合は測距結果を保存し（Ｓ２１６）、以下の場合破棄する（Ｓ２１７）フォーカス位置変更回数と高精度測距系フォーカス変更必要回数Ｎが等しいかを判定する（Ｓ２１８）。異なる場合にはＳ２１４からＳ２１８の過程を繰り返し、等しい場合には保存された測距結果を統合し（Ｓ２１９）、形状データを取得する（Ｓ１１０）。統合に際し、同一の測定点に対し複数の測距結果が保存されている場合には、何れを選択しても良い。
【００５２】
図１０及び図１１（ａ）で説明したスキャン方法の測定速度は対象物の形状に依存する。例えば対象物が滑らかな形状をしている場合にはフォーカス位置変更必要回数Ｎが多く、低精度測距を実施する回数が少ないため、図１０で説明したフローが早く、例えば図１１（ｂ）のような１１６ｂの同一平面に１１６ａの同一な高さのパターンが繰り返されている対象物を１１６ｃの経路でスキャンする場合には、図１０で説明したフローでは１１６ａと１１６ｂの領域の境目でフォーカス位置を変更する時間が掛かるが、図１１（ａ）で説明したフローではフォーカス位置変更必要回数Ｎ少ないため図１１（ａ）で説明したフローのほうが測定速度が速い可能性がある。図１０、図１１のフローはユーザ選択可能とする。
【００５３】
これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、実施例１乃至６を組み合わせることにより本発明を実施してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０１・・・低精度測距光
１０２・・・高精度測距光
１１１・・・ファイバカプラ
１１２・・・受光器
１１３・・・ファイバコリメータ
１１４・・・λ／４板
１１５・・・プリズム
１１６・・・対象物
１１７・・・λ／４
１１８・・・偏光ビームスプリッタ
１１９・・・ビームスプリッタ
１２０・・・レンズ
１２１・・・受光器
１２２、１２３・・・可変フィルタ
１２４・・・位相計
１２５・・・距離演算回路
１２６・・・データベース
１２７・・・ステージコントローラ
１３０・・・、フォーカスユニット
１３１・・・レンズ
１３２・・・マウンタ
１３３・・・電動ステージ
１３４・・・レンズ
１３７・・・中空レンズ
１３８・・・中空レンズ
１３９・・・フォーカスユニット
１４１・・・ファイバコリメータ
１４２・・・レンズ
１４３・・・受光器
１４４・・・レンズ
１４５・・・受光器
１４６、１４７・・・ミキサ
１４８・・・パワーデバイダ
１４９・・・発振器
１５０、１５１・・・可変フィルタ
１５２・・・位相計
１５３・・・距離演算回路
１５４・・・ビームスプリッタ
１５５・・・ファイバコリメータ
１７０・・・光源
１７２・・・偏光ビームスプリッタ
１７３・・・レンズ
１７４・・・受光器
１７５・・・λ／４板
１７６・・・ダイクロイックミラー
１７７・・・レンズ
１７８・・・受光器
１８０・・・パルス光源
１８１・・・ファイバカプラ
１８２・・・受光器
１８３・・・ファイバコリメータ
１８４・・・λ／４板
１８５・・受光器
１８６・・・信号処理
１８７・・・距離演算回路
２００・・・光源
２０１・・・低精度測距光源
２０２・・・高精度測距光源
２０３・・・制御部
２０４・・・光周波数コム
２０５・・・光スイッチ
７００・・・λ／２板
７０１・・・偏光ビームスプリッタ
７０２・・・ファイバカプラ
７０３・・・サーキュレータ
８０１・・・測距系
８０２・・・中空モータ
８０３・・・ミラー
８０４・・・ガルバノスキャナ
８０５・・・電源ユニット
８０６・・・ＧＵＩ
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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